控制新一代自动驾驶汽车的刹车和转向系统
我们对控制自动驾驶汽车的期待会推动制动技术和新的转向概念实现飞跃
想象这样一个世界：机器人出租车载着我们快速地从一个地方到另一个地方，食品杂货从订购到送货上门，整个过程无需人工干预。
感觉这样的世界触手可及，自动驾驶汽车会自动浮现在我们的脑海里，但在这项技术成为现实之前，它所面临的挑战是复杂多样的。为了应对这些挑战，汽车和许多系统必须进行彻底的改变，如控制刹车和转向功能的系统。
一旦人类把对汽车的控制交给计算机，那么已经存在了一个多世纪的传统人机界面(HMIs)就没有继续存在的必要了——5级自动驾驶汽车根本就不需要方向盘或踏板。
虽然这为设计师提供了优化舱室空间和布局的机会，但也带来了重大的设计挑战：
l 如果没有方向盘和踏板，汽车线控E/E系统能完全取代这些系统吗？
l 如何保证乘客的安全——尤其是在系统出现故障的情况下？
l 线控驱动系统是应对自动驾驶挑战的解决方案吗？
汽车线控技术已经发展起来了
汽车线控系统已经运用到一些人为控制的车辆上了，特别是从2013年开始安装在英菲尼迪Q50和Q60上的线控转向系统，但是它们并没有被消费者广泛接受，因为刹车和转向系统的安全性需要冗余，而这会增加成本和重量。
尽管存在这些挑战，一些专业制造商仍在继续改进和开发将最终应用于自动驾驶汽车的线控系统。
2018年底，沃尔沃汽车开始使用创新的线控技术进行先进的汽车测试，该技术被称为Flex-o，由领先的测试系统供应商AB Dynamics开发。该系统可以使测试车辆直接通过CAN总线驾驶，而不需要人类司机或机器人。
通常，为了客观测试汽车性能，需要安装的硬件包括一个转向机器人、踏板机器人、一个控制系统、数据记录器和一个运动包。这些技术结合在一起，可以比人类测试驾驶员更安全、更准确地控制车辆，误差在20毫米以内。有了AB Dynamics最先进的路线跟踪和速度控制技术，可以达到这个精准度和重复性。
Flex-o也有可能成为测试未来自动驾驶车辆系统的关键工具。随着业界对此类系统的测试和验证需求了解的更多，将需要在安全复制真实环境和情况的场景下进行测试。
另一家公司将自己定位为领先的自动驾驶技术供应商，德国汽车供应商舍弗勒，最近从Paravan GmbH收购了Space Drive线控驱动技术。
根据Paravan的主页，Space Drive系统可以让那些残存强度低，运动能力差的人甚至没有四肢的人都能安全地驾驶汽车。该系统允许操作人员使用由微处理器控制的驾驶辅助装置激活刹车、油门和方向盘，微处理器将信号传输给刹车、油门和转向的伺服电机，以纳秒为单位。
该系统在客户车辆中无事故驾驶超过5亿公里，其围绕三重冗余设计，根据IPC-A-6003流程制造，符合ISO 26262 ASIL D级标准。
创建安全的线控驱动系统是关键
如果自动驾驶汽车要赢得消费者的信任，必须证明它们是安全的；即使在信号传输中断或子系统故障时也可以保持机动性。开发中的挑战在于以可接受的成本为这些必不可少的冗余创建智能解决方案。
可以在系统内部或外部创建冗余：
l 故障安全-这意味着在发生故障的情况下，可以恢复方向盘与方向盘之间的机械或液压连接
l 操作失败-没有机械链接作为回退。
例如，一种故障操作解决方案是添加第二个转向电机或带有两个单独绕组的转向电机。
例如，电动汽车的牵引电机或刹车也可以用一种可控的方式(扭矩矢量控制)来操纵前轮。通过改变车轮的牵引力或制动力，它们可以在需要时执行转向功能，因此车辆将保持安全驾驶。
考虑自动驾驶系统中的冗余
虽然常见的冗余解决方案是增加关键部件的数量，如博世的电动转向系统(EPS)的故障操作功能，但这些系统增加了复杂性、成本和重量。
为了避免这些弊端，一些机构正在研究用差速制动来控制车辆的方向。
2018年，沃尔沃汽车公司(Volvo Cars)的M. Jonasson和英国皇家理工学院(Royal Institute of Technology)的M. Thor在一篇题为《使用差速制动的自动驾驶汽车的转向冗余》的研究论文中，提出了基于制动系统的冗余系统，作为故障操作备份。
为了确保车辆在完全失去EPAS的转向扭矩后沿着期望的路径行驶，此文描述了如何通过对车辆内侧车轮施加制动，在自动驾驶车辆提供故障操作控制的情况下，使用差速制动来转动车辆。
为了研究这一概念的潜力，开发了两个具有差分输入的车辆模型。这些模型用于解释和定义差速制动可以达到的曲率极限，以便以后通过试验车辆的测量结果进行验证。
这里特别关注的是车轮悬架效果，它可以显著影响预期轨迹。因此，对车轮悬架效应造成的车辆行为及其限制进行了细致的定义和记录。
最后，开发了一个基于模型的控制器，在车辆发生转向系统故障时，通过差速制动实现转向。这个控制器设计初衷在于补偿在控制事件中可能出现的车轮角度扰动，该控制器在一个模型中进行了测试，车辆以70公里小时的速度直行，在200米的道路半径之前发生了诱导转向故障。
对开发的车辆模型的分析和在真实世界的车辆测试表明，差速制动可以替代前轴转向作为自动驾驶汽车的容错控制而存在。然而，与转向相比，在曲率和侧向加速度的大小上有实际限制。
这些系统能交付吗?
前提是假定刹车系统正常运行，而且刹车系统本身也有冗余，由此提出一个问题：线控刹车系统是否能交付？
这个问题的答案似乎很简单——Chassis Brakes International的客户线组织经理Bastien Russery表示：“如果有四个自动刹车，自然就有了冗余。如果有一个刹车有缺陷，那么其他三个仍然可用来刹停车辆，并且有缺陷的那个可以单独调整，以保持车辆在控制之下。除非仪表盘上的指示灯告诉你有故障，否则你可能永远不会意识到有问题” 。
该公司的“智能制动”线控制动概念也不需要真空助力器、软管、夹钳和液压液，以及填充和排气系统所需的“疏散和填充”过程。这改善了包装和耐撞性，并消除了由制动液造成的潜在环境危害。此外，刹车性能和手感可以通过软件设置，零部件可以在汽车制造商的产品线中甚至在原始设备制造商之间通用。
此外，在紧急情况下，拥有先进驾驶辅助系统的车辆可以扫描前方道路，确定行动路线，查看来自司机的输入，并通过制动单个车轮来调整它们，以增加或减少转向角度并作出反应。利用从轮胎获得的信息，车辆动力学控制器将能够使用最有效和最节能的方法优化每个轮胎的可用摩擦力。
智能刹车系统计划在2030年左右批量生产，这与预计的电动汽车使用量大致一致。
如果汽车线控概念不仅被视为一种新型的控制系统，而且还被视为一种具有众多技术和功能协同效应的车辆整体动态系统，那么该技术将拥有巨大的优势和可能性。更重要的是，随着自动驾驶的普及，线控驱动系统在控制系统市场中的份额极有可能大幅增长——据研究公司Markets & Markets预测，2018年至2025年，线控驱动市场的复合年增长率为8.86%。2018年的市场规模为191.2亿美元，预计到2025年将达到346.3亿美元。
对于制造商来说，随着电动自动驾驶汽车的大量推出，了解线控技术的机遇、市场和挑战变得越来越重要。